Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 25

Урок 1: Еволюцията и естественият отбор

Дарвин, еволюция & естествен подбор

Пътуването на Чарлз Дарвин на HMS Бийгъл и идеята му за еволюцията и естествения подбор.

Ключови точки:

Чарлз Дарвин е британски естествоизпитател, който предлага теорията за биологичната еволюция чрез естествен отбор.
Дарвин дефинира еволюцията като "наследяване с изменения" – това е идеята, че видовете се променят с течение на времето и от тях се появяват нови видове, с които споделят общ предшественик.
Механизмът, който Дарвин предлага за еволюцията, е естествен отбор. Тъй като ресурсите в природата са ограничени, организмите с наследствени белези, които са от полза за оцеляването и възпроизвеждането им, ще оставят по-многобройно потомство, отколкото други индивиди. Tова ще доведе до увеличаване на честотата на тази белези със смяна на поколенията.
С течение на времето естественият отбор създава популации, които са приспособени, или добре пригодени, към средата, в която живеят. Естественият отбор зависи от средата и изисква съществуващи наследими вариации в групата.

Какво е еволюция?

Основната идея на биологичната еволюция е, че популациите от организми и видовете се променят с времето. Когато днес мислим за еволюция, вероятно свързваме тази идея с един определен човек: британския естествоизпитател Чарлз Дарвин.

През 50-те години на XIX век Дарвин пише влиятелна и противоречива книга, наречена Произход на видовете. В нея той предлага, че видовете еволюират (или както той се изразява, претърпяват "наследяване с изменения") и че всички живи същества произлизат от общ прародител.

Видът е група от сходни организми, които могат да се кръстосват помежду си и да създават здраво и плодовито потомство. Например всички хора принадлежат към един и същ вид — Homo sapiens. Домашните кучета също са един вид — Canis familiaris.

Дарвин предлага и механизъм за еволюцията — естествен отбор, при който наследствените белези, които помагат на организмите да оцеляват и да се възпроизвеждат, стават по-разпространени в дадена популация с течение на времето.

Наследственият белег е белег, който се предава от родители на деца посредством гени. Например цветът на очите е наследствен белег. Той се определя от гените, които получаваш от майка си и баща си. Ако ще ти бъде по-ясно, в тази статия можеш да замениш фразата "генетично обусловен" с "наследствен".

В тази статия ще разгледаме от по-близо идеите на Дарвин. Ще проследим как те са се появили при пътуванията му с кралския кораб Бийгъл и ще видим пример за това как работи еволюцията чрез естествен отбор.

Ранни идеи за еволюцията

Дарвин не е първият човек, които предлага идеята за еволюция. Някои древни гръцки философи също стигат до такива идеи. Но Платон, един от най-известните гръцки философи, вярва, че видовете са фиксирани и не се променят. Неговите възгледи остават много влиятелни в западния свят векове след смъртта му.

Идеите за еволюцията започват да се възвръщат през XVIII век. В началото на XIX век френският естественик Жан-Батист Ламарк публикува книга, в която предлага, че в естествения свят протича еволюция, както и механизъм, по който тя може да действа. По-точно Ламарк предлага, че модификациите в даден индивид се предизвикват от неговата среда или от употребата, или липсата на употреба да дадена структура през живота на индивида. Той предлага, че тези модификации могат да се наследят от поколението и да доведат до промяна във вида. Например Ламарк предлага, че жирафите имат дълги вратове, тъй като някои от тях са протягали вратовете си и след това са предали дългия врат на своето поколение.

Този механизъм на еволюционна промяна не се оказва верен и днес често Ламарк се споменава като този, който "стига до грешен отговор." Но преди да го съдим, трябва да запомним, че Ламарк е бил новатор въпреки неправилната идея. Той е един от първите учени, които сериозно се заемат с идеята за еволюцията, и предлага механизъм, по който тя може да работи.

Влияния върху Дарвин

През XVIII век шотландският естественик Джеймс Хътън предлага, че геоложките промени се случват постепенно през дълги периоди от време и чрез натрупване на малки промени от процеси, които функционират и днес. Това е в разрез с преобладаващите схващания по това време, че планетата е резултат от поредица катастрофални събития, които са се случили през относително близкото минало.

Възгледите на Хътън се популяризират през XIX век от геолога Чарлз Лайъл, който става и приятел на Дарвин. Идеите на Лайъл за постепенните геоложки промени изиграват важна роля в оформянето на мисленето на Дарвин за постепенната биологична еволюция.

Томас Малтус е друг мислител, който силно повлиява Дарвин. Малтус се интересува от растежа на човешките популации и пише за фактори, които ограничават експоненциалното им нарастване, като болести и ограничено количество храна

^{1}

. Неговите идеи са от решаващо значение за разбиранията на Дарвин, че повечето естествени популации създават по-многобройно потомство, отколкото средата им може да поддържа, следователно само част от потомците оцеляват и се възпроизвеждат.

Дарвин и пътешествието с кораба Бийгъл

Основополагащата книга на Дарвин, Произход на видовете, излага идеите му за еволюцията и за естествения отбор. До голяма степен тези идеи се основават на преки наблюдения, направени при пътуванията на Дарвин по света. От 1831 г. до 1836 г. той е част от изследователската експедиция на кралския кораб Бийгъл, която минава през Южна Америка, Австралия и южния край на Африка. При всяка от спирките на експедицията Дарвин има възможността да изучава и да каталогизира местните растения и животни.

По време на пътуванията си Дарвин започва да вижда интригуващи модели в разпространението и характеристиките на организмите. Можем да разберем едни от най-важните модели, които Дарвин забелязва, като се спрем на наблюденията му от Галапагоските острови, близо до Еквадор.

Дарвин открива, че на различните острови от Галапагоския архипелаг, които са разположени в близост един до друг, живеят сходни, но нееднакви видове чинки. Освен това той забелязва, че всеки вид чинка е добре пригоден за средата и ролята си. Например видовете, които ядат големи семена, имат големи и здрави човки, докато тези, които се хранят с насекоми, имат тънки и остри човки. Накрая Дарвин забелязва, че чинките и другите животни, които се срещат на Галапагос, са сходни с тези от континентален Еквадор, но се различават от видовете в останалата част от света

^{2}

Дарвин не открива всичко това по време на пътешествието си. Всъщност той дори не осъзнава, че всички чинки, които вижда, са свързани, но отделни видове, докато години по-късно не показва екземпляри от тях на опитен орнитолог (биолог, който изучава птиците)

^{3}

! Постепенно Дарвин стига до идея, която може да обясни наблюдавания модел на свързани, но различни чинки.

Според идеята на Дарвин този модел може да се е появил, ако много отдавна Галапагоските острови са били заселени от птици от съседния континент. С минаване на дълги периоди от време и смяна на поколенията, чинките на всеки остров може постепенно да са се адаптирали към местните условия. Този процес може да е довел до образуване на един или повече отделни видове на различните острови.

Ако смятаме тази идея за вярна, защо е вярна? Какъв механизъм може да обясни как всяка популация от чинки е придобила приспособления или белези, които я правят добре пригодена за непосредствената ѝ среда? По време на пътуването си и в годините след това Дарвин развива и усъвършенства набор от идеи, които могат да обяснят моделите, които наблюдава при плаването си. В книгата Произход на видовете той излага две основни идеи — еволюция и естествен отбор.

Точно така! Въпреки че Дарвин е запомнен като основния създател на теорията за еволюция чрез естествен отбор, той не е единственият мислител от тази епоха, който има такива идеи. Всъщност друг учен, Алфред Ръсел Уолъс, стига до заключения, много сходни с тези на Дарвин, независимо от него и почти по същото време. Подобно на Дарвин, Уолъс пътува по света и е повлиян от моделите на разпространение на организми, които забелязва.

Това не е нещо необичайно за науката. Често двама различни учени (или два различни екипа от изследователи) достигат до един и същ важен извод по почти едно и също време. Този вид "съвместни открития" са важни и полезни, защото потвърждават, че заключенията имат силна подкрепа и е вероятно да са верни.

Еволюция

Дарвин предлага, че видовете могат да се променят с течение на времето, т.е. нови видове произлизат от съществуващи видове, и всички видове споделят общ предшественик. При този модел всеки вид има набор от уникални наследствени (генетични) различия от общия предшественик, които се натрупват постепенно с минаване на дълги периоди от време. Многократни събития на разклоняване, при които нови видове се отделят от общ прародител, водят до получаването на "дърво" с много нива, което свързва всички живи организми.

Дарвин нарича процеса, при който наследствените белези на група от организми се променят с поколенията, "наследяване с изменения". Днес го наричаме еволюция. Рисунката на Дарвин по-горе илюстрира тази идея, като показва как един вид се разклонява на два с течение на времето и как този процес се повтаря многократно в "родословното дърво" на група от свързани видове.

Естествен отбор

Важно е да отбележим, че Дарвин не предлага само идеята, че организмите еволюират. Ако това беше началото и краят на теорията му, днес нямаше да го срещаме в толкова много учебници! Дарвин предлага и механизъм за еволюцията — естествен отбор. Този механизъм е елегантен и логичен, той обяснява как популациите могат да еволюират по начин, който ги прави по-добре пригодени към средата им с течение на времето.

Идеята на Дарвин за естествения отбор се основава на няколко ключови наблюдения:

Белезите често са наследствени. При живите организми много характеристики се унаследяват, предават се от родител на потомство. Дарвин знае за това, но не знае, че белезите се унаследяват чрез гени.
Създават се повече потомци, отколкото могат да оцелеят. Организмите могат да създадат повече потомци, отколкото средата им може да поддържа. Следователно сред всяко поколение има конкуренция за ограничени ресурси.

Потомците се различават по наследствените си белези. Потомците от всяко поколение се различават помежду си по белези като цвят, размер, форма и др., много от тези белези са наследствени.

Въз основата на тези прости наблюдения Дарвин прави следните заключения:

В една популация някои индивиди ще имат наследствени белези, които им помагат да оцеляват и да се възпроизвеждат при определени условия на средата, като присъствие на хищници и наличност на източници на храна. Индивидите с полезните белези оставят по-многобройно потомство в следващото поколение в сравнение с останалите членове на популацията, тъй като характеристиките им ги правят по-ефективни в оцеляването и размножаването.
Тъй като полезните белези са наследствени и понеже организмите с тези белези оставят по-голямо потомство, полезните характеристики стават по-разпространени (срещат се у по-голяма част от индивидите в популацията) в следващото поколение.
Със смяна на поколенията популацията се приспособява към средата, защото индивидите с белези, които са полезни в тази среда, имат по-голям репродуктивен успех от другите членове на популацията.

Посредством модела за еволюция чрез естествен отбор Дарвин обяснява наблюденията, които прави по време на пътуванията си. Например, ако видовете галапагоски чинки имат общ предшественик, би било логично те да си приличат помежду си и да приличат на континенталните чинки, с които вероятно споделят този общ предшественик. Ако групи от чинки са били изолирани на отделни острови за много поколения, всяка група е била изложена на различна среда, при която различни наследствени белези са били полезни, например различни размери и форми на човката за различни източници на храна. Тези фактори може да са довели до формирането на отделни видове на всеки остров.

Да разгледаме опростен пример, за да разберем как естественият отбор, действащ върху изолирани популации на чинки в различни среди, може да е довел до промяна на формата на човката.

Ако на един остров има растения с големи семена, но малко други източници на храна, е вероятно птиците с по-големи и по-здрави човки от средните да имат по-голям шанс да оцелеят и да се възпроизведат. Птиците с по-големи клюнове ще са по-добри в отварянето на семената, за да изядат вътрешността им, следователно ще е по-малко вероятно да умрат от глад.

Ако на друг остров има много видове насекоми, но малко други източници на храна, птиците с по-тънки и остри човки може да имат по-голям шанс да оцелеят и да се възпроизведат. Птиците с остри клюнове ще са по-добри в улавянето на насекоми за плячка, следователно ще е по-малко вероятно да умрат от глад.

Със смяната на много поколения тези различни модели на оцеляване и възпроизвеждане въз основа на формата на човката (наследствен белег) ще доведат до промяна в средната форма на човката във всяка популация. По-точно в популацията от първия остров ще има промяна към по-големи и по-здрави клюнове, докато при популацията от втория остров промяната може да е към по-тънки и остри човки. Накрая, поради тези или подобни промени, двете популации от чинки може да са изглеждали толкова различни една от друга, че са класифицирани като отделни видове.

Пример: Как работи естественият отбор

За да може идеята за естествения отбор да стане по-ясна, ще разгледаме опростен и хипотетичен пример. В него група мишки с наследствени вариации в цвета на козината (черен или светлокафяв цвят) са се преместили в нова област, където скалите са черни. В тази среда има и ястреби, които обичат да ядат мишки и виждат светлокафявите по-лесно от черните мишки на фона на черните скали.

Тъй като ястребите виждат и улавят светлокафяви мишки по-лесно, по-голяма част от светлокафявите мишки ще бъдат изядени, докато изядените черни мишки ще бъдат много по-малка част. Ако сравним отношението на черни към светлокафяви мишки в оцелялата (неизядена) група, ще видим, че то е по-голямо, отколкото е било в началната популация.

Цветът на козината е наследствен белег, той се предава от родител на дете. Ето защо увеличаването на пропорцията на черни мишки в оцелялата група означава увеличаване на пропорцията на черни мишлета в следващото поколение. След няколко поколения на отбор популацията може да бъде съставена почти изцяло от черни мишки. Тази промяна в наследствените белези на популацията е пример за еволюция.

Всъщност не трябва да мислиш за гени и алели, за да разбереш тази идея, достатъчно е да приемеш, че светлокафявата мишка има по-голям шанс да остави светлокафяво поколение, отколкото черната мишка и обратното.

Но ако въпросът за начина на унаследяване те интересува, можем да го разгледаме така:

Ако в популацията виждаме само черни и светлокафяви мишки, лесно можем стигнем до обяснението, че белегът за цвета на козината се контролира от един ген, между чиито алели има взаимодействие на пълно доминиране. Да кажем, че светлокафявият алел (T) е доминантен, а черният (t) е рецесивен. Това означава, че генотипът на светлокафява мишка може да е Tt или TT, докато генотипът на черна мишка трябва да е tt.

В най-екстремния случай всички светлокафяви мишки са изядени от хищници преди да достигнат репродуктивна възраст и единствените, които оставят потомство, са черните (tt) мишки, които се кръстосват помежду си и дават поколение от още черни (tt) мишки.

В действителност отборът не би бил толкова силен. Някои светлокафяви мишки ще доживеят до размножителния период, а когато се кръстосат с черни мишки, ще се родят както светлокафяви, така и черни мишлета. Но колкото по-малко светлокафяви мишки остават в генофонда, тъй като те са по-честата плячка за хищници, толкова по-голяма пропорция на черни мишки очакваме да видим в следващото поколение.

Генетиката ще е по-малко очевидна, ако обърнем доминантността и приемем, че черният цвят е доминантен над светлокафявия. Но същият принцип отново ще бъде в сила – колкото повече светлокафяви мишки са премахнати от популацията от хищници, толкова по-голяма част от мишлетата в следващото поколение ще имат черна козина.

Можеш да научиш още за еволюцията на ниво алели и гени в урока за популационна генетика.

Ключови точки за естествения отбор

Когато започнах да уча за естествения отбор, имах някои въпроси, както и заблуди, за това как той работи. Тук представяме обяснения на определени аспекти от естествения отбор, които могат да бъдат объркващи. Обясненията ще ти помогнат да разбереш по-добре как, кога и защо протича естествен отбор.

Естественият отбор зависи от средата

Естественият отбор не е благосклонен към белези, които са някак по-висши сами по себе си, а към белези, които са полезни, т.е. белези, които помагат на организма да оцелява и да се възпроизвежда по-ефективно от останалите организми в неговата група и в дадена среда. Белези, които са полезни в една среда, могат да бъдат вредни в друга.

В опростения пример по-горе черните мишки не стават по-разпространени със смяна на поколенията, защото са сами по-себе си "по-добри" или "по-еволюирали" от светлокафявите мишки. Те стават по-разпространени, защото имат наследствен белег, който им помага да оцеляват и да се размножават по-добре в определена среда, в случая черни скали. Ако средата беше съставена от скали със светъл цвят, полезният и вредният белег щяха да са разменени.

Естественият отбор действа благодарение на съществуващи наследствени вариации

Естественият отбор се нуждае от изходен материал, върху който да работи. Този изходен материал са наследствените вариации. За да може естественият отбор да въздейства на даден белег, трябва сред изявите на белега да съществуват вариации, разлики между индивидите по отношене на определената характеристика. Освен това разликите трябва да са наследствени, да се определят от гените на организма.

В примера с мишките има наследствени вариации в цвета на козината, определени варианти на даден ген правят мишката черна, а други — светлокафява. Ако всички мишки бяха светлокафяви, популацията нямаше да може да се адаптира към новата си среда чрез естествен отбор и може би щеше да бъде заличена.

Какво щеше да се случи, ако имаше ненаследствени вариации, например, ако боядисаме някои от светлокафявите мишки в черно? Това може да повлияе на оцеляването на индивидите, но няма да промени състава на популацията през поколенията, защото малките на боядисаните светлокафяви мишки ще наследят генните варианти за светлокафяв цвят, които имат родителите им, а не вариантите за черен цвят.

Наследствените вариации се дължат на случайни мутации

Първоначалният източник на нови варианти на гени, които създават нови наследствени белези, като цветове на козината, е случайната мутация (промени в последователността на ДНК). Случайните мутации, които се предават на поколението, обикновено се появяват в сперматозоидите или яйцеклетките на организмите. Половото размножаване "размесва и комбинира" вариантите на гени, за да създаде по-голямо разнообразие.

Важно е да отбележим, че мутациите и генетичните вариации са случайни, а не целенасочени. Това означава, че мишката не може нарочно да мутира, за да оцвети себе си или поколението си в друг цвят. Но ако случайно възникне мутация, която да промени цвета на козината на мишката, естественият отбор може да въздейства върху вариацията, която се появява при тази мутация.

Естествен отбор и еволюция на видовете

Сега да се върнем малко назад и да разгледаме как естественият отбор се вписва в общата идея на Дарвин за еволюцията, според която всички живи същества имат общ предшественик, от когото са произлезли, и са образували голямото, разклонено дърво на живота. Какво се случва на всяка точка на разклоняване?

В примера с дарвиновите чинки видяхме, че различни групи от дадена популация могат да бъдат изолирани една от друга чрез географски бариери като океан, който заобикаля острови, или чрез други механизми. Щом са изолирани, групите повече не могат да се кръстосват помежду си и са изложени на различни външни среди. Във всяка среда естественият отбор благоприятства различни белези. Освен това върху групите могат да въздействат и други еволюционни сили като генетичния дрейф. Със смяната на много поколения между групите могат да се натрупат толкова различия в наследствените белези, че те да се приемат за отделни видове.

Основавайки се на разнообразни доказателства, учените смятат, че процеси от този вид са се повтаряли многократно през историята на живите организми на Земята. Еволюцията чрез естествен отбор и чрез други механизми е в основата на невероятното разнообразие от живи форми, което виждаме днес. Действието на естествения отбор може да обясни и пригодеността на днешните организми към техните среди на живот.

Източници

Тази статия е производна модификация на "Да разберем еволюцията" от колеж Оупънстакс, Биология, CC BY 4.0. Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.8.

Изменената статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Уилкин, Д. и Акре, Б. (23-ти март 2016 г.) Влияния върху Дарвин — разширено издание. В CK-12 биология за напреднали. Достъп от http://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/10.18/.
Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Пътешествието на Бийгъл. В Биология на Кембъл (10-то изд., стр. 466). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.
Дарвинови чинки. (25-ти април 2016 г.) Достъп на 16-ти март 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Darwin%27s_finches.
Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Фигура 1.18. Естествен отбор. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 14). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Допълнителни източници:

Жан-Батист Ламарк. (9-ти май 2016 г.) Достъп на 16-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Jean-Baptiste_Lamarck.

Ламаркизъм. (13-ти май 2016 г.) Достъп на 16-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Lamarckism.

Макклийн, П. (1997). Теорията на Дарвин за еволюция чрез естествен отбор. В Популационна и еволюционна генетика. Достъп от https://www.ndsu.edu/pubweb/~mcclean/plsc431/popgen/popgen5.htm.

Рейвън, П. Х. и Джонсън, Г. Б. (2002). Теорията на Дарвин показва как работи науката. В Биология (6-то издание., стр. 10-16). Бостън, Масачузетс: McGraw-Hill.

Рейвън, П. Х., Джонсън, Г. Б., Мейсън, К. А., Лосос, Дж. Б. и Сингър, С. Р. (2014). Науката биология. В Биология (10-то издание, AP ред., стр. 1-16). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw-Hill.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Произход с модификация чрез естествен отбор обяснява адаптацията на организмите и единството и разнообразието в живия свят. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 465-470). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Основна тема: еволюцията обяснява единството и разнообразието на живота. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 10-15). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Революцията на Дарвин разклаща традиционните виждания за ранната Земя и за непроменящите се видове. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 463-465). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Тан, К. (13-ти май 2015 г.) Каква е теорията на Дарвин за еволюцията? В Live Science. Достъп от http://www.livescience.com/474-controversy-evolution-works.html.

Музей по палеонтология на Калифорнийския университет. (2016). Ранни идеи за еволюцията: Жан-Батист Ламарк. В Да разберем еволюцията. Достъп от http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/history_09.

Уилкин, Д. и Акре, Б. (23-ти март 2016 г.) Теория за еволюцията — разширено издание. В CK-12 биология за напреднали. Достъп от http://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/10.19/.

Уилкин, Д. и Акре, Б. (23-ти март 2016 г.) Пътешествието с кораба Бийгъл — разширено издание. В CK-12 биология за напреднали. Достъп от http://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/10.17/.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.